Cold atmospheric pressure plasma pretreatment as a novel tool to tailor the functional properties of quince seed mucilage biopolymer-based edible films

In der modernen Welt sind die Frischhaltefolien und Behälter, die unsere Lebensmittel frisch halten, ein zweischneidiges Schwert. Während sie unsere Mahlzeiten vor dem Verderb schützen, bestehen sie aus Materialien, die sich nicht leicht zersetzen, was eine bleibende Spur in der Umwelt hinterlässt und Bedenken hinsichtlich des Auslaugens toxischer Chemikalien in unsere Lebensmittel aufwirft. Wissenschaftler suchen schon lange nach einem besseren Weg und wenden sich dabei an die eigenen Materialien der Natur. Ein vielversprechender Kandidat ist eine klebrige, gelartige Substanz, die in den Samen der Quittenfrucht zu finden ist, einem birnenförmigen Mitglied der Rosenfamilie. Wenn diese Samen in Wasser einweichen, geben sie einen dicken Schleim (Mucilage) ab, ein natürliches Polymer, das zu dünnen, essbaren Blättern getrocknet werden kann. Diese Blätter haben das Potenzial, synthetische Kunststoffe zu ersetzen, stehen jedoch vor einer erheblichen Hürde: In ihrem natürlichen Zustand sind sie oft zu spröde zum Handhaben und zu porös, um Feuchtigkeit effektiv abzuhalten, was sie zu schlechten Kandidaten für den Schutz von Lebensmitteln macht.

Um dies zu lösen, wandten sich Forscher einer Methode zu, die wie Science-Fiction klingt, aber tatsächlich eine präzise industrielle Technik ist: kaltes atmosphärisches Plasma. Stellen Sie sich einen Strahl unsichtbarer, energiereicher Teilchen vor, der eine Oberfläche berühren kann, ohne sie zu verbrennen. Diese Technologie ermöglicht es Wissenschaftlern, die Oberfläche eines Materials mit geladenen Atomen und Molekülen zu beschießen und so dessen Struktur auf mikroskopischer Ebene umzugestalten, ohne Hitze oder aggressive Chemikalien zu verwenden. Das Ziel ist es, den fragilen, natürlichen Film aus Quittenkernschleim zu stärken, ihn widerstandsfähiger zu machen und ihn besser gegen Wasserdampf abzuschirmen. Ein Forschungsteam hat diese Idee kürzlich getestet, indem es die flüssige Mischung aus Quittenkernschleim mit diesem Plasma behandelte, bevor es sie in einen Film verwandelte, in der Hoffnung, das perfekte Gleichgewicht von Zeit und Energie zu finden, um eine zarte natürliche Substanz in ein strapazierfähiges Verpackungsmaterial zu verwandeln.

Die Forscher begannen damit, Quittensamen zu sammeln und sie mit dem kalten Plasmastrahl zu behandeln. Sie raten nicht einfach bei den Einstellungen; sie variierten systematisch die Leistung des Strahls und die Dauer der Exposition der Samen. Sie testeten drei verschiedene Leistungsstufen und drei verschiedene Zeitdauern und erstellten so ein Raster an Möglichkeiten, um zu sehen, welche Kombination am besten funktionierte. Nachdem die Samen behandelt worden waren, extrahierte das Team den Schleim, mischte eine kleine Menge Glycerin unter, um ihn flexibel zu halten, und goss die Lösung in Schalen, um sie zu dünnen Filmen trocknen zu lassen. Anschließend unterzogen sie diese neuen Filme einer Reihe von Tests und maßen dabei alles, von ihrer Dicke bis hin zu ihrer Wasserabweisung und der Kraft, der sie standhalten konnten, bevor sie brachen.

Eines der ersten Dinge, die das Team entdeckte, war, dass die Plasmabehandlung die Dicke der Filme nicht veränderte. Unabhängig davon, ob die Samen behandelt wurden oder nicht, blieben die resultierenden Blätter mit konstanten 0,70 Millimetern gleich dick. Dies war eine wichtige Erkenntnis, da es bedeutete, dass die Behandlung die Eigenschaften des Materials veränderte, ohne seine grundlegenden physikalischen Dimensionen zu verändern. Die Oberfläche der Filme änderte sich jedoch dramatisch. Als die Forscher maßen, wie Wassertropfen auf der Oberfläche saßen, fanden sie heraus, dass die Behandlung die Filme wasserabweisender machte. Das beste Ergebnis wurde erzielt, als die Samen mit einer spezifischen Leistungsstufe für genau drei Minuten behandelt wurden. Unter dieser Bedingung perlten die Wassertropfen stärker ab als bei jeder anderen Probe, was darauf hindeutete, dass die Oberfläche hydrophober, also wasserabweisender geworden war. Dies ist eine entscheidende Eigenschaft für Lebensmittelverpackungen, da sie hilft, den Film in feuchten Umgebungen nicht aufzuweichen und an Festigkeit zu verlieren.

Die Fähigkeit, Feuchtigkeit zu blockieren, bekannt als Wasserdampfdurchlässigkeit, zeigte ein ähnliches Muster. Die für drei Minuten behandelten Filme waren am besten darin, Wasserdampf zu blockieren, unabhängig von der verwendeten Leistungsstufe. Diese Verbesserung deutet darauf hin, dass die Plasmabehandlung geholfen hat, die Moleküle im Film dichter zusammenzuführen, wodurch eine dichtere Barriere entstand, die Wassermoleküle nicht leicht durchdringen konnten. Die Forscher fanden jedoch auch eine klare Grenze dieses Prozesses. Wenn sie die Behandlungszeit auf fünf Minuten verlängerten, wurden die Filme beim Blockieren von Feuchtigkeit tatsächlich schlechter als die unbehandelten. Die längere Exposition gegenüber dem Plasmastrahl begann die Struktur des Schleims zu schädigen und schuf winzige Pfade, durch die Wasser entweichen konnte. Dies deutete darauf sich, dass die Technologie das Material zwar verbessern kann, zu viel davon jedoch destruktiv wirkt und das sehr Netzwerk zerstört, das die Wissenschaftler eigentlich stärken wollten.

Auch die Textur der Filme änderte sich. Mithend einem Hochleistungsmikroskop, das die Oberfläche auf mikroskopischer Ebene fühlen kann, fanden die Forscher heraus, dass eine kurze, einminütige Behandlung die Oberfläche rauer machte. Diese Rauheit wurde durch das sanfte Ätzen kleiner Teile der Oberfläche durch den Plasmastrahl verursacht. Interessanterweise wurde die Oberfläche bei einer längeren Behandlung wieder glatter und gleichmäßiger. Dies deutet darauf hin, dass die Moleküle nach der anfänglichen Aufrauung Zeit hatten, sich in eine kompaktere und geordnetere Struktur umzuordnen. Die mechanische Festigkeit der Filme folgte einer ähnlichen Regel von „weniger ist mehr“. Die stärksten und flexibelsten Filme wurden mit einer kurzen, einminütigen Behandlung bei einer niedrigeren Leistung hergestellt. Diese Filme konnten sich weiter dehnen und mehr Gewicht halten, bevor sie brachen, im Vergleich zu den unbehandelten Proben. Aber auch hier führte eine zu lange oder zu starke Behandlung dazu, dass die Filme spröde und schwach wurden und jene Qualitäten verloren, die sie nützlich machen.

Die Hitzebeständigkeit der Filme erzählte ebenfalls eine Geschichte der Balance. Als die Forscher die Filme erhitzten, um zu sehen, wie sie unter Belastung standhielten, fanden sie heraus, dass die optimal behandelten Proben höheren Temperaturen standhalten konnten, bevor sie zerfielen. Dies deutet darauf hin, dass die Plasmabehandlung geholfen hat, die Moleküle stärker miteinander zu verbinden und so eine stabilere Struktur zu schaffen. Die Filme, die fünf Minuten lang behandelt wurden, zeigten jedoch Anzeichen von Instabilität und brachen bei niedrigeren Temperaturen zusammen. Dies bestätigte, dass die längere Exposition die Molekülketten geschädigt hatte, was das Material weniger robust machte. Die chemische Analyse der Filme zeigte, dass die Grundstruktur des Quittenkernschleims intakt blieb, aber die Oberflächenchemie verändert wurde. Der Plasmastrahl hatte wahrscheinlich neue Verbindungen zwischen den Molekülen geschaffen und die Art und Weise verändert, wie die Oberfläche mit Wasser interagiert, ohne das Kernmaterial zu zerstören.

Die Studie kommt zu dem Schluss, dass kaltes atmosphärisches Plasma ein mächtiges Werkzeug zur Verbesserung natürlicher Lebensmittelverpackungen ist, aber ein feines Fingerspitzengefühl erfordert. Die Forscher fanden heraus, dass eine kurze, sorgfältig kontrollierte Exposition einen fragilen, wasserempfindlichen Film in ein stärkeres, wasserresistenteres Material verwandeln kann. Der Schlüssel lag darin, den Punkt zu finden, an dem das Plasma die Bindungen zwischen den Molekülen stärkt, ohne sie zu zerreißen. Die Behandlung der Samen für drei Minuten bei einer moderaten Leistungsstufe schien die beste Gesamtleistung zu bieten, indem sie die Fähigkeit des Films verbesserte, Feuchtigkeit zu blockieren, seine Stärke und seine Hitzebeständigkeit zu erhöhen. Eine Verlängerung der Behandlung auf fünf Minuten kehrte diese Vorteile jedoch um und bewies, dass es einen Punkt abnehmender Erträge gibt, an dem die Technologie schädlich wird. Diese Arbeit unterstreicht, dass die Natur zwar die Rohstoffe für nachhaltige Verpackungen liefert, fortgeschrittene Techniken wie kaltes Plasma jedoch eingesetzt werden können, um diese Materialien fein abzustimmen und sie zu praktikablen Alternativen für die Kunststoffe zu machen, die derzeit unsere Regale dominieren. Die Zukunft der Lebensmittelverpackung könnte wohl davon abhängen, diese präzisen Momente der Intervention zu finden, in denen eine kurze Berührung von Energie einen einfachen Samenextrakt in einen Schutzschild für unsere Lebensmittel verwandelt.